superradiance des trous noirs

Le miroir fonce à près de quarante mille kilomètres par seconde. La lumière qui l'atteint rebondit, mais transformée — comme une balle renvoyée par une raquette en mouvement. C'est un tel miroir que des scientifiques ont construit à l'intérieur d'un fil de verre ultra-fin rempli d'hydrogène.

Une toupie tourne si vite que l'air autour d'elle se met à tourner à l'unisson. C'est à peu près ce que fait un trou noir : s'il tourne, il peut transférer son énergie aux particules qui se trouvent à proximité. Ce processus est appelé superradiance — il ressemble à un écho dans les montagnes, sauf qu'au lieu du son, ce sont de nouvelles particules qui naissent.

Un trou noir n'est pas simplement un aspirateur cosmique. S'il tourne, il peut amplifier les ondes autour de lui, comme un écho de montagne répète un son. Pour la matière noire ultra-légère (des particules des milliards de fois plus légères que l'électron), cet effet, appelé superradiance, peut créer un nuage immense.

Un trou noir n'est pas un sac absolument noir. En 1974, Stephen Hawking a montré qu'il émet de la lumière — faiblement, mais continuellement. Ce rayonnement naît non pas à l'intérieur, mais à l'extérieur, tout près de la frontière d'où même la lumière ne s'échappe pas. Une nouvelle étude précise le tableau.

Une pierre tombe dans une eau calme, et des cercles se propagent à la surface. Un trou noir se comporte de manière similaire lorsqu'un objet tombe en lui ou lorsqu'il fusionne avec un autre. Le trou noir se met à osciller, et ces oscillations s'échappent dans l'espace sous forme d'ondes gravitationnelles.

Quand deux trous noirs fusionnent au loin, un frémissement de l'espace nous parvient : ce sont les ondes gravitationnelles. On les décrit habituellement avec les équations d'Einstein, mais que se passerait-il si, aux distances les plus infimes, la gravité fonctionnait autrement ?

L'agonie d'un trou noir solitaire dure une éternité. Mais dans les derniers instants, lorsque la masse s'évapore selon la loi découverte par Stephen Hawking, elle a le temps d'envoyer un signal d'adieu radio.

Au centre de galaxies lointaines, des « balises » à rayons X s'allument parfois. Elles ne clignotent pas au hasard, mais suivant un calendrier strict — toutes les quelques heures ou quelques jours. Ces sursauts sont appelés éruptions quasi périodiques (répétées à intervalles presque réguliers).

Dans les premiers instants après le Big Bang, matière et antimatière étaient presque en quantités égales. Mais quelque chose a rompu l'équilibre — sinon tout aurait annihilé en rayonnement, et le monde serait resté vide. L'un des candidats au rôle de « perturbateur » est le neutrino droit superlourd.

Dans l'Univers primordial, de minuscules trous noirs ont pu naître — avec la masse d'une montagne, mais la taille d'un noyau atomique. Aujourd'hui, ils pourraient servir d'usines à matière noire.

Au centre de l'attention se trouve un trou noir avec deux frontières de non-retour : l'horizon externe et l'horizon interne. Au-delà de l'horizon externe, l'espace et le temps échangent leurs rôles, mais le chemin n'est pas encore terminé. Plus loin, à l'horizon interne, la gravité prépare une nouvelle surprise.

La lumière traverse un film froissé – et en ressort légèrement modifiée. C'est à peu près ce que ressentent les ondes gravitationnelles nées dans l'Univers primordial lorsqu'elles traversent la répartition grumeleuse des galaxies et de la matière noire.

Quand un piano tombe dans un précipice, on pense au précipice. Pas à la housse qui recouvre le piano. De la même manière, les astrophysiciens ont pendant des décennies observé les rencontres extrêmes entre de petits corps et de grands trous noirs. Ce qui les intéressait, c'était le trou noir lui-même et ce qui tournait autour.

Au centre de presque chaque grande galaxie vit un trou noir supermassif — un géant silencieux autour duquel tourbillonnent étoiles, gaz et d'autres trous noirs plus petits. De temps en temps, l'un de ces objets quitte son orbite et commence à tomber vers le monstre central en une spirale de plus en plus serrée.

Si un trou noir tourne rapidement, il peut retenir autour de lui un nuage de particules ultra-légères, si légères que leur masse s'évanouit presque. Ensemble, elles s'organisent en couches, comme les électrons dans un atome, mais ici c'est la gravité qui joue le rôle des forces électriques. Cette structure emmagasine de l'énergie, telle un ressort bandé.

Les ondes gravitationnelles sont des oscillations de la trame même de l'espace-temps, semblables aux vibrations d'une corde cosmique géante.

Les soufflets de forge attisent le feu en expulsant brusquement l'air. Dans l'espace, le rôle de ces soufflets est joué par l'onde de choc d'une supernova — concept introduit par Fritz Zwicky : elle rattrape une bulle géante de particules chargées et de champs magnétiques formée autour d'une…

Les ondes gravitationnelles — ce frémissement du cosmos provoqué par de lointains cataclysmes — sont si faibles que les capter revient à entendre un murmure dans un ouragan. Mais un trou noir peut les amplifier considérablement.

Dans l'image habituelle, un trou noir est un gouffre sans visage dans la courbure de l'espace-temps. Mais si une coquille de matière vibre autour de lui, l'intervalle entre le bord de l'abîme et cette coquille se transforme en cavité résonnante.

Une toupie massive tourne si vite que l'espace lui-même s'enroule en spirale autour d'elle. C'est un trou noir — mais au lieu de bois et de métal, il est fait de pure gravité. Ajoutons-lui un champ électromagnétique inhabituel qui modifie légèrement les règles du jeu.

Une balançoire se met à osciller de plus en plus fort si on la pousse en rythme. Un mécanisme similaire se déclenche lorsqu'une étoile morte tourne autour d'un trou noir massif enveloppé d'un nuage de particules ultra-légères. Ces particules sont des candidates pour la matière noire (la substance invisible qui empêche les galaxies de se disloquer).

Un couple de patineurs tourne en se tenant par la main. Si la trajectoire est un cercle parfait, chaque poussée du partenaire est prévisible. Mais si on l'allonge en ovale, les efforts deviennent inégaux : à l'approche, une secousse ; à l'éloignement, une accalmie. C'est à peu près ce que font deux trous noirs dans les dernières minutes avant leur fusion.

L'eau qui coule dans un tuyau peut devenir un piège à son. Si la vitesse du courant dépasse la vitesse du son dans l'eau, les ondes sonores qui tentent de remonter le courant ne peuvent plus s'en échapper : elles sont emportées, comme la lumière au-delà de l'horizon d'un trou noir.

Un diapason, une fois mis en vibration, fait vibrer les cordes voisines. C'est à peu près ce que fait un nuage de particules ultralégères (aussi appelées axions) autour d'un trou noir en rotation rapide.

Un sursaut gamma est une brève mais extrêmement puissante éruption de lumière, comme celles qui naissent lors de la fusion d'étoiles à neutrons ou de l'effondrement d'une étoile massive.

Les minuscules trous noirs nés juste après la naissance de l'Univers devraient s'évaporer, cédant leur masse sous forme de particules invisibles. C'est ce qu'a prédit Stephen Hawking, et cette « évaporation de Hawking » contribuait à l'expansion du jeune monde.

Les trous noirs ne sont pas des gouffres silencieux, mais des diapasons naturels. Leur rotation vertigineuse, prédite par Roger Penrose, fait chanter l'espace-temps lui-même, engendrant un flux de particules ultralégères, les axions.

Le Big Bang a été comme un coup de tonnerre cosmique qui a fait vibrer le tissu de l'espace. Ces vibrations — les ondes gravitationnelles — résonnent encore dans l'Univers, telles des échos d'un événement lointain.

Une multitude d'atomes peuvent agir comme un orchestre bien réglé : si chacun émet de la lumière à l'unisson avec les autres, l'éclat est multiplié. C'est la superradiance — un phénomène bien étudié en laboratoire, mais presque jamais recherché dans l'espace.

La lumière d'une lampe ordinaire est un chaos : les photons s'envolent dans toutes les directions, sans aucun ordre. Mais si l'on fait en sorte que de nombreux atomes émettent de la lumière simultanément et en rythme, on obtient une impulsion courte et puissante — comme des applaudissements qui, de claquements individuels, se transforment en une salve unique.

Le trou noir du système binaire V4641 Sagittarii se comporte comme un mixeur géant. Il aspire la matière de l'étoile voisine et la rejette dans l'espace sous forme de deux jets étroits. Ces jets frappent le gaz environnant comme un jet d'eau sur du sable, et creusent peu à peu une cavité immense autour du trou noir.

La Lune n'est pas qu'une boule de pierre, c'est une cloche géante. Lorsque les ondes gravitationnelles la traversent, elle se met à vibrer imperceptiblement.